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2.5L国V柴油发动机研发项目可行性报告及经费概算二〇一〇年六月目录一、项目可行性报告（一）立项的背景和意义（二）国内外研究现状和发展趋势（三）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点（四）项目预期目标（五）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解（六）计划进度安排（七）现有工作基础和条件二、经费概算（一）经费概算列表（二）经费概算说明2.5L国V柴油发动机的研发一、项目可行性报告（一）立项的背景和意义1．项目的背景伴随汽车产销量快速增长而来的是大气污染和石油消耗。目前，中国已成为仅次于美国和日本的第三大石油进口国。而汽车的石油消耗又占了中国石油年消耗量的50%。无疑，先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性的作用。自20世纪末期以来，汽车排放法规日益严格。与美国上世纪90年代中实施的联邦排放法规相比，于2007年全面实施的新联邦排放法规将要求汽车氮氧化物排放降低幅度高达95%，碳氢排放物降低幅度高达84%。而于此同时，与排放相关的系统及零部件耐久性要求达到12万英里。2007年美国联邦排放标准中第五分组碳氢排放极限约为欧Ⅳ排放极限的一半（由于测试循环的不一致，真正的排放要求比欧Ⅳ排放的一半还低）。我国的国V排放标准被环保部提上了议事日程，北京市目前已经开始研究制定机动车国V排放标准和油品标准相关准备工作，2012年前后，北京机动车排放标准将从“国IV”升级为“国V”，其他地区也将逐步实施。目前国家已在制订相关政策，将发展国V柴油机技术作为汽车能源战略的重要组成部分，实现在相当长时间内节能环保的目标。未来我国轻型商用车用柴油机将呈增长趋势。这越来越严格的排放法规和人们对节能认识的加深，使得高效率、低排放车用发动机技术的开发受到高度的重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。由于各国国情的不同，在环境保护及节能方面所侧重的技术也有所区别。日本出于国土资源的因素，微型车辆、经济型车的比例较高，小排量发动机就既能满足节能环保的要求，又能给这类车提供足够的驱动力；而在欧洲，由于柴油便宜，热效率远高于汽油机，使消费者容易接受柴油机驱动的汽车要比汽油机驱动的同类汽车贵1000～2000美元的事实。另外，柴油机的低速扭矩远胜于汽油机，这也使偏爱汽车运动感的欧洲人更将直喷柴油机视为高科技的代表。现在的西欧，超过95%的轻型商用车配置的是柴油机。我国柴油机到2013年我国轻型商用车每年将新增近600万辆，柴油轻型商用车预计占15%以上，年产量将达到90万台，市场前景巨大。该项目研究应用融合了电控共轨、4气门、冷却EGR、POC或DPF等高技术，必将有力推动国内柴油机行业的技术进步，并将代表我国多缸小柴机行业的最高水平。同时排放达到国Ⅴ，大幅度减少向大气排气有害物，保护人体健康和生态环境，将对工程机械领域排放要求的观念产生了革命性的影响。因此该项目的开发符合国家法规，迎合国际潮流，顺应全球环保发展趋势的新一代柴油机产品，在这净化空气，保护环境，促进经济与环保的可持续发展具有重要的意义。（二）国内外研究现状和发展趋势美国、欧盟、日本都在20世纪80年代开始研究和控制柴油机的排放。其中以美国最为严格。现基本处于各自的“第Ⅳ阶段”，2012年实施“第Ⅴ阶段”。为实现排放达到“第Ⅳ阶段”、“第Ⅴ阶段”水平，欧美等发达国家大都采用了增压中冷、ECU、电控高压共轨、EGR、可变几何截面涡轮增压器（VGT）、排气后处理等技术。因此，本项目研究应用的技术达到国际先进水平。高性能、低排放、低噪声、模块化等是柴油机发展的方向，尽管世界各主要发动机公司开发的新一代柴油机各有特点，但大体反映了以下发展趋势：（a）采用新型直喷式柴油机的比例不断提高。（b）采用增压中冷和多气门技术，以提高升功率。柴油机内能燃烧的燃油量取决于气缸内的充气量，几乎所有的先进的柴油机采用了增压中冷技术；缸径大于100mm以上的车用柴油机均采用了四气门结构，缸径小于100mm的车用柴油机有采用了四气门，也有保持二气门。柴油机的升功率已达60kW/L。（c）应用电控泵喷嘴、电控单体泵、高压共轨技术，优化喷油规律。为满足国Ⅳ、国Ⅴ的排放法规，喷油压力在不断提高，其喷油压力已超过150Mpa，甚至达到200Mpa，燃油喷射量、喷射压力、喷油定时实行精确控制。（d）实现排气再循环（EGR）技术。实现排气再循环降价了NOx，但不利于燃油经济性，AVL等公司实现了EGR冷却与控制技术，极大改善了综合性能。（e）优化结构设计，减少磨擦与附件损失，提高机械效率。（三）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1．项目的主要研究开发内容本项目是与国际著名发动机研究公司合作，研究应用电控共轨、4气门、冷却EGR、POC或DPF等高技术开发的一种新型共轨直喷式柴油机，各项性能达到国际先进水平，结构紧凑，重量轻，并具有现代轻型商用车柴油动力装置的所有技术特点。满足了轻型商用车在排放、燃油耗和舒适性等方面的严格要求。1．1总体设计和各系统集成考虑到轻型商用车可为发动机提供的安装空间有限，发动机的总体结构必须十分紧凑。为减轻发动机重量，必须用现代设计方法减少材料堆积，同时尽量采用轻质材料，如铝合金和工程塑料。为满足最大爆发压力达到160bar，需要采用有限元限分析技术，确保结构强度并满足轻量化要求。为达到轻型商用车对燃油耗、排放、舒适性、低制造成本等各方面所提出的苛刻要求。总体方案具有以下特点；1）直列、直喷式柴油机；2）电控共轨喷油系统；3）电动废气再循环装置；4）废气涡轮增压及中冷；5）4气门技术；6）后处理技术；各个技术需要集成和优化才能达成目标，难度极大。1．2主要零部件及系统特点（1）气道开发和缸盖，机体在概念设计阶段，将用我公司的气流试验台和试制的气道芯盒开发两个进气道。在限定的气缸盖约束条件内，将开发有代表性的进气道来达到所要求的气体流动性。将采取在气道里面填充树脂然后切开缸盖取出气道的树脂模型。该树脂气道芯模型将进行扫描生成三维曲面，并最终用于生成气缸盖三维CAD模型（已有收缩的最终形状）。同样的方法将被用来开发排气道并最终生成排气道的三维CAD模型（已有收缩的最终形状）。根据发动机的最高爆并结合我公司的铸造加工能力，确定缸盖材料；根据热负荷及整机水道布置，确定缸盖的水流模式，尤其是排气阀区域，和进排气一起考虑缸盖水套设计；推荐缸盖的高度尺寸，及上端壁厚；回油孔及呼气；缸盖罩壳的设计，包括油气分离方案。由于缸盖的更改，缸体也可能需要做相应的变更，例如润滑油道，冷却水道和缸盖螺栓等。（2）曲轴考虑到气缸最大爆发压力达160bar，为确保曲轴具有足够的疲劳强度，曲轴材料采用42CrMo，并采取圆角淬火强化措施，为减少摩擦功和降低NVH对其几何尺寸经计算后优化。（3）连杆连杆用35CrMo材料锻造而成，其大头孔经优化设计，连杆小头孔衬套采用铝青铜，并有三个润滑孔，优化了支承活塞销的机油供应，从而改善了连杆小头衬套与活塞销的表面承载状况。由于该机的总体尺寸极其紧凑，连杆轴承和主轴承的尺寸也很小，要承受160bar的爆发压力，轴承单位面积的载荷很高，而润滑油膜厚度又很小，要求所使用的轴瓦必须具有很高的疲劳强度和耐磨性。（4）活塞和活塞环活塞由高热强度铝合金制成，其第1道环槽铸入镍铜铬耐蚀铸铁圈。在活塞设计中，将采用用冷却油道和底部喷油冷却两种活塞设计方案，并对两种活塞的实测温度比较，选择一种廉价而有效的活塞结构设计方案。第1道活塞环为对称矩形桶面环，其上端面的内倒角使环扭曲，可防止形成机油积碳。第2道活塞环为斜面环，其上端面同样有内倒角。第三道活塞环是斜切式刮油杯，内衬螺旋形弹簧涨圈。在设计过程中，将对第2、第3道活塞环材料用铸铁和渗氮钢进行比较，从而进行选择。（5）机油耗减少机油消耗作为排放开发的重点内容，通过精确的三维设计计算减小气缸变形，结合磨擦副表面处理，保证柴油机的机油耗控制在0.1g/kw。h内。（6）直喷燃烧系统建模CFD（VECTIS）模型将用来在概念设计阶段改善缸内直喷燃烧系统布置。该CFD模型也将包括开发的进气道。假定缸内直喷喷油器的喷雾特性由燃油喷射系统的供应商提供。我公司将利用这些数据匹配用于缸内CFD分析的喷雾模型。结合燃烧系统和喷油器模型评估发动机的油气混合形成过程。一维性能仿真（WAVE）将建立包括气门重叠、进气冲程和压缩冲程的发动机循环。部分循环包括气门重叠、进气、喷油器和压缩将用CFD在3D模型中分析。燃烧系统的性能将在原型机开发阶段测量。在这个阶段发动机燃烧系统特性将用图表显示并和目标测量值比较。这些数据也将用于将来改善燃烧模型，如果需要的话也能用来解决任何需要关注的问题。（7）气门传动机构气门由滚轮摇臂驱动，并装有起着气门间隙补偿作用的立式液压挺柱。为了有效地抑制噪声，机油道在气缸盖中的布置必须确保不会有气泡进入液压挺柱。发动机停机时，直立油道中可能形成气泡。在机油泵开始供油后，气泡经凸轮轴承盖中的凹槽被压入凸轮轴中心内腔。这样，向液压挺柱供油的纵向主油道便能保持无气泡的状态。（8）机油泵和机油冷却器机油泵组合设在曲轴箱底座中。为了满足活塞喷油冷却所需增加的机油循环量，增大机油泵齿轮宽度，同时精确计算传动比。机油冷却器设有6片散热片，保证在标定转速和全负荷时可将机油温度限制在125℃，水温限制在100℃。（9）冷却水泵冷却水泵的泵水能力根据汽缸盖的需要来确定。由于采用了长行程设计，排气门与喷油器在空间布置上十分紧凑，以致在排气门鼻梁区已无法布置冷却水孔，因此应相应提高水流速度。为提高泵水压力，适当增大水泵叶轮直径及传动比。在标定转速下，保证冷却水流量达到1.25L/S。（10）废气涡轮增压器出于成本的原因和汽车上安装空间的限制，将增压器涡轮的外壳与排气管组合成一个由球墨铸铁制成的整体铸铁。增压技术已广泛应用在柴油机上，但传统的涡轮增压器，在低速段的空气流量不是很大，不利于柴油机的性能，因此，本项目将采用可变几何截面涡轮增压技术，具有动态控制功能的可变几何截面涡轮增压器（VGT）替代传统的涡轮增压器，它是一种采用转动喷嘴环叶片的角度，改变叶片间的喉部尺寸来实现不同的喷嘴出口总面积，是通过电控系统来实现的，电控单元采集发动机的转速、油门位置、增压压力和进气温度等参数根据发动机不同的工况，对执行器发出控控指令，调节喷嘴出口的面积，从而改变增压器的转速。当发动机低速运行时，减少喷嘴出口的面积，使增压器的压比增高，提高了发动机的低速扭矩。而在高速时增大喷嘴出口的面积，限制增压器的转速和压比不过分高，从而进一步改善燃油经济性和降低了排放污染物，增大了柴油机的功率。1．3．燃烧过程的开发直喷式柴油机的混合气形成取决于燃烧室中的空气流动状况和燃油喷束的特性。燃烧室中的空气运动基本上受到两个因素的影响：一个是由进气道形状形成的涡流流动状态，另一个是对横向流动影响最大的活塞顶燃烧室缩口边缘的形状。此外，燃烧室盆腔的形状也强烈地影响膨胀过程中的后续燃烧过程。燃油喷束的形成首先受到喷油器在燃烧室中的集合参数和喷油器技术参数的影响。如果能充分利用共轨喷油系统控制的自由度，则对喷油特性曲线形状十分有利。这样，喷油压力和喷油始点等重要参数就能在任何工况下任意地进行优化。本项目将花费6个月的时间设计活塞顶燃烧室凹腔、涡流以及喷油器和喷油嘴的配置整套方案。（1）涡流的确定为获得良好的全负荷性能，决定对目前实际发动机可能采用的总涡流比进行一系列的研究。不同发动机的涡流比与其缸径的关系，随着缸径变小，所需的涡流比不断增大。试验计划在一台总涡流比为3.0∽5.0的单缸试验机上，对喷油参数和活塞顶燃烧室凹腔形状进行了仔细的匹配。获取最佳涡流比。在燃烧室透明的单缸试验机上进行的系统匹配试验中进一步验证，高涡流水平对燃烧过程对喷油系统品质波动的敏感性，（2）燃烧室形状对直喷式柴油机而言，最重要的是活塞顶燃烧室凹腔容积相对于整个压缩容积的比例应尽可能大。同时在保证全负荷烟度和机械耐久性达标的情况下，设计理想的燃烧室形状和涡流的匹配。活塞顶燃烧室凹腔形状对充分利用空气，尽量少形成黑烟起着主要作